CN102205467A - 激光处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于切割衬底的激光处理装置，该装置包含有：激光头，其用于产生激光束；第一工作固定器和第二工作固定器，其上安装有衬底；以及换向器，其沿着激光束的路径设置，该换向器被操作来有选择地引导激光束朝向安装在第一工作固定器的第一衬底以切割第一衬底，或者朝向安装在第二工作固定器的第二衬底以切割第二衬底，以便于在一个衬底进行切割的同时，在另一个衬底上可以执行同步的操作。

Description

激光处理装置

技术领域

本发明涉及一种激光处理装置，特别是涉及一种用于在半导体器件上切割或划刻沟槽（singulating or scribing grooves）的激光切割机器。

背景技术

激光划片（laser scribing）是一种通常使用于沿着衬底上所形成的间隔线（streets）切割衬底如蓝宝石或碳化硅（sapphire or silicon carbide）晶圆的表面上的线性沟槽的方法。激光束或锐聚焦激光点针对此方法而得以出现。当衬底相对薄时，而激光划片同样也可以通过完全切断衬底而割开衬底。

对于在蓝宝石制成的衬底上的激光划片而言，所形成的沟槽的深度通常被控制到微米的程度，这需要精确地切割衬底。激光束的聚焦同样也影响每次切割的深度。因此，有必要测量衬底切割表面的高度，以便于控制通过激光划片的切割的深度。测量衬底表面的高度的一种方法是通过使用光学器件在衬底表面上聚焦的方式。通过计入衬底上的多个测量点，该高度的有效估算得以实现。通常，激光处理装置包含有视觉系统，该视觉系统被用于捕获衬底图像以在发生激光划片以前进行高度测量和进行定位。

衬底表面高度的估算或测量增加了辅助操作时间。该辅助操作时间还包括衬底装载和卸载以及视觉定位所花费的时间。通常，在实际的划片时间可以多达大约240秒以完全划刻直径为2英寸的蓝宝石衬底的同时，辅助操作时间可以多达60秒。在辅助操作时间期间，激光头保持为空闲状态，因此是没有生产的。如果视觉和聚焦的点的数目被增加，那么辅助操作时间将会更加冗长。这降低了生产效率。

发明名称为“激光处理机器”、出版号为2008/0290078的美国专利公开了一种沿着两道间隔线同时完成激光切割的激光处理机器。这通过使用棱镜将激光束分成两个单独的激光束而得以完成。这两个激光束具有可调节的间距以便于它们能够同时在两个单独的位置处操作来切割晶圆。另一方面，发明名称为“激光束加工装置”、出版号为2008-110383的日本专利公开了一种激光束加工装置，其通过使用分光器（beam splitter）将激光束分成两束光同时加工固定在两个卡盘平台上的工件。该激光束沿着两个单独的路径传播，以同时加工两个固定在两个卡盘平台上的工件。

当由于在前述现有技术中两个划片激光束同时出现以划刻两个单独位置处的晶圆所以加工效率得以提高的同时，将激光束源分开之后管理两个必须相互极为贴近设置的激光束成为一个挑战。控制两个来自单独光源的激光束的质量和能量变化技术上是有难度的。这可能趋向导致沿着不同的划刻线形成不同的划刻深度。而且，激光头的功率必须加倍以保持在两个位置处相同的激光能量水平，这提高了机器的成本。而且，在辅助操作时间期间，激光头仍然保持空闲，生产率得以丧失。由于激光头很昂贵，使得激光头的使用最大化和促进激光头的高效使用是合适的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种激光处理装置，其在实现激光划片深度的更好控制的同时，提高激光划片的产量。

于是，本发明一方面提供一种用于切割衬底的激光处理装置，该装置包含有：激光头，其用于产生激光束；第一工作固定器和第二工作固定器，其上安装有衬底；以及换向器，其沿着激光束的路径设置，该换向器和激光头可在第一位置和第二位置之间相对于彼此移动，其中，在第一位置处换向器被操作来将激光束换向以切割安装在第一工作固定器上的第一衬底，在第二位置处换向器被操作来将激光束换向以切割安装在第二工作固定器上的第二衬底。

本发明另一方面提供一种用于切割安装于第一工作台和第二工作台上的衬底的方法，该方法包含有以下步骤：在第一工作台上安装第一衬底，在第二工作台上安装第二衬底；使用激光头产生激光束，并使用换向器将该激光束换向至第一衬底以切割该第一衬底；在第一衬底被切割的同时，使用光学系统检查第二衬底以为切割做好准备；在第一衬底的切割已经完成之后，将换向器和激光传送设备相对于彼此从第一位置移动至第二位置，以便于将激光束换向至第二衬底而切割第二衬底；其后将第一衬底从第一作业台处移离。

本发明再一方面提供一种用于切割衬底的激光处理装置，该装置包含有：激光头，其用于产生激光束；第一工作固定器和第二工作固定器，其上安装有衬底；以及换向器，其沿着激光束的路径设置，该换向器被操作来有选择地引导激光束朝向安装在第一工作固定器的第一衬底以切割第一衬底，或者朝向安装在第二工作固定器的第二衬底以切割第二衬底。

本发明又一方面提供一种用于切割安装于第一工作台和第二工作台上的衬底的方法，该方法包含有以下步骤：在第一工作台上安装第一衬底，在第二工作台上安装第二衬底；使用激光头产生激光束，并使用换向器将该激光束换向至第一衬底以切割该第一衬底；在第一衬底被切割的同时，使用光学系统检查第二衬底以为切割做好准备；在第一衬底的切割已经完成之后，操作换向器以将激光束换向至第二衬底而切割第二衬底；其后将第一衬底从第一作业台处移离。

参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。

附图说明

根据本发明所述的系统和方法的较佳实施例的示例现将参考附图加以详细描述，其中：

图1所示为根据本发明较佳实施例所述的包含有两个工作台的激光划片组件的立体示意图，其中表明了激光束正在一个工作台上划刻晶圆。

图2是激光划片组件的立体示意图，其中表明了激光束在另外一个工作台上划刻晶圆。

图3包含3A至3E，其是激光划片组件的工作台的俯视示意图，其表明了用于在工作台上切割衬底的第一作业顺序，以减小所需的定位距离（indexing distance）。

图4包含4A至4C，其所示为激光划片组件的两个工作台的俯视示意图，其表明了在工作台的移动范围之内所包含的重叠局部。

图5包含5A和5B，其所示为和图4A至图4C所述相同配置中布置的两个工作台的俯视示意图，其表明用于同时处理两个衬底的第二作业顺序。

具体实施方式

在此本发明较佳实施例将结合附图进行描述。

图1所示为根据本发明较佳实施例所述的包含有两个工作台的激光划片组件10的立体示意图，其中表明激光束正在一个工作台上切割或划刻衬底36、40，如晶圆。激光划片组件10包含有：以激光头14形式存在的用于产生激光束的激光光源，可以为卡盘平台16、18形式的在x-y-θ方向移动的第一工作台和第二工作台，激光束传送系统20，以及光学系统。光学系统包含有一组共轴光学器件22、一组高度测量光学器件24和底部光学器件26。

该组共轴光学器件22包括顶部光学器件28，其和底部光学器件26一起被操作来捕获衬底的图像，以进行定位的目的。各组激光束聚焦光学器件30设置在卡盘平台16、18的上方以用于聚焦激光束。高度测量光学器件24相邻于激光束聚焦光学器件30设置。高度测量光学器件24测量待切割的衬底40的高度以便于激光束能被聚焦而用于划刻至正确的切割深度。

沿着激光束的路径设置的激光束换向器（diverter）12由可以分别引导激光束至激光头14的左侧和右侧的两个反射激光板组成。激光束换向器12和激光头14可以相互彼此移动，更合适的方式是，在激光头14为静止的同时驱动激光束换向器12移动。激光束换向器的反射板可以为反射镜或棱镜的表面，并通过连接至激光束换向器12的马达，例如线性、步进或伺服马达驱动，以在水平方向上或垂直方向上移动。反射板也可以通过旋转机构驱动旋转。另外，激光束换向器12可以包括将入射激光束引导至不同方向的其他装置，如电气驱动光学开关（electrically-driven optical switches）。

在图1中，当激光头14产生激光束，该激光束被激光束换向器12和第一反射镜34直接反射在安装于第一卡盘平台16上的第一衬底36上时，第一激光束路径32得以形成，此时激光束换向器12位于第一位置。沿着第一激光束路径32转向至安装于第一卡盘平台16上的第一衬底36上的激光束可以划刻或切割第一衬底36。在这个划刻或切割处理过程中，第二衬底40被装载到第二卡盘平台18上。当激光划片在第一卡盘平台16上开始的同时，第二衬底40的视觉定位和高度测量能够得以完成。

图2是激光划片组件10的立体示意图，其中表明了激光束在另外一个工作台上划刻晶圆。在第一衬底36的划刻已经完成之后，当激光束换向器12移动至第二位置时，来自激光头14的激光束被激光束换向器12和第二反射镜42转向至第二激光束路径38。所以，现在划刻或切割能够在安装于第二卡盘平台18上的第二衬底40上得以完成。与此同时，后划刻检查（post-scribing inspection）可以在驻留于第一卡盘平台16的第一衬底36上执行。因此，由于一旦划刻在第一衬底36上完成时激光束被立即引导来开始划刻第二衬底40，所以激光头的空闲时间是微不足道或者不存在。从而在整个连续地衬底处理过程中，激光划片组件10被高效地利用和富有成效。而且，由于在划刻时间出现多达约240秒的同时，用于高度测量、装载、卸载和视觉定位的普通辅助操作时间可以多达60秒，所以当划刻在一个衬底上完成的同时，可以在另一衬底上完成更多的视觉和聚焦点。这样改善了衬底视觉定位和高度估算的精确度。

在根据本发明较佳实施例所述的激光划片组件10中，和前述的现有技术相比，激光能量的控制更为简单以及激光划片或切割的质量得以改善。由于仅仅一个单独的激光束被导向各个卡盘平台16、18上的每个衬底，所以不需要迎合两个激光束之间的变化，这两个激光束是从一个激光束分离的。

图3A至图3E是激光划片组件10的工作台的俯视示意图，其表明了用于在工作台上切割衬底的第一作业顺序，以减小所需的定位距离（indexing distance）。图3A表明了在将激光光斑（laser spot）44聚焦在所期望的待切割的间隔线46之后和通过高度测量光学器件24估算出衬底高度之后，在安装于卡盘平台16、18的衬底36、40的间隔线上沿着Y方向开始划刻。卡盘平台16、18首先被定位到右侧，如图3B所示，以使得划刻能够沿着顺着衬底36、40隔断开的连续间隔线继续。

在图3C中，当衬底36、40的大约一半已经被处理时，卡盘平台16、18将衬底36、40旋转180度。卡盘平台16、18继续定位到左侧，如图3D所示，以便于衬底36、40剩余的另一半可以得到划刻。因此，虽然衬底36、40仅仅被定位通过大约为衬底宽度的一半的距离48，但是衬底36、40的划刻能够跨越衬底的整个宽度完成，如图3E所示。由于没有必要将衬底定位跨越和衬底的整个宽度相等的距离，所以激光划片组件10的宽度能够得以减少。

图4A至图4C所示为激光划片组件10的两个工作台的俯视示意图，其表明了在两个工作台的移动范围之内所包含的重叠局部。图4A 表明位于各自最右侧位置50、52处的第一卡盘平台16和第二卡盘平台18。图4C 表明位于各自最左侧位置54、56处的第一卡盘平台16和第二卡盘平台18。第一卡盘平台16和第二卡盘平台18存在重叠间距58。图4B 表明位于极端左侧和右侧位置之间的第一卡盘平台16和第二卡盘平台18的过渡位置60。第一卡盘平台16和第二卡盘平台18之间的移动距离重叠以致于定位期间第一卡盘平台16和第二卡盘平台18所移动的整个距离小于第一卡盘平台16和第二卡盘平台18的合并宽度。激光划片组件10的宽度因此得以减少。这种方法有助于消除由于将两个工作台内置在激光划片组件10中所导致的空间需要。

图5A和图5B所示为和图4A至图4C所述相同配置中布置的两个工作台的俯视示意图，其表明用于同时处理两个衬底的第二作业顺序。在图5A中，划刻正好在第一卡盘平台16处开始。由于第二卡盘平台18的移动范围被第一卡盘平台16所限制，所以第二卡盘平台18不能在这个位置完成视觉任务。在第一卡盘平台16上第一衬底36的大约一半已经处理之后，第二卡盘平台18能够自由地移动以完成视觉任务，如图5B所示。所以，这种方法确保两个工作台能够容纳在有限的工作空间中。

值得欣赏的是，使用不止一个卡盘平台使得当装配在一个卡盘平台上的一个衬底正被切割的同时，装配在另一个卡盘平台上的另一个衬底的视觉定位和高度评估成为可能，以致于和仅仅使用一个卡盘平台相比较整体产能得到了提高。当全部辅助操作时间短于全部划刻时间的时候，激光头能够在整个连续的衬底处理期间得到利用。因此，视觉定位和高度测量操作的数量可以得以增加以便于获得更好的切割精度。相应地，增加了的辅助操作时间不会贡献给可能降低生产率的激光头的非操作时间。当在另一个衬底上继续划刻的同时，后划刻检查也可以在已经划刻完的衬底上执行。由于激光头能够完全一直从事于划刻或切割，所以激光头的空闲时间可以被减少。

而且，本发明较佳实施例和上述现有技术相比是有益的，因为如果存在两个衬底必须一次取代一个地被装载和测量，现有技术中辅助操作时间更长。这种更长的辅助操作时间提高了激光头的非生产时间。而且，由于平台上的激光反射镜和透镜的布置是相同的，所以单个光束的能量水平和质量的控制比来自同一个激光光源的双光束的控制更为简单。另外，使用如上所述的双卡盘平台的第一作业顺序和第二作业顺序，激光划片组件10在允许双卡盘平台被用作为同步操作的同时，所需的占地面积得以减少。

此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种用于切割衬底的激光处理装置，该装置包含有：

激光头，其用于产生激光束；

第一工作固定器和第二工作固定器，其上安装有衬底；以及

换向器，其沿着激光束的路径设置，该换向器和激光头可在第一位置和第二位置之间相对于彼此移动，其中，在第一位置处换向器被操作来将激光束换向以切割安装在第一工作固定器上的第一衬底，在第二位置处换向器被操作来将激光束换向以切割安装在第二工作固定器上的第二衬底。

2.如权利要求1所述的激光处理装置，该装置还包含有：

激光束聚焦光学器件，其设置在工作固定器上方以用于聚焦激光束。

3.如权利要求1所述的激光处理装置，该装置还包含有：

高度测量光学器件，其用于测量衬底的高度。

4.如权利要求1所述的激光处理装置，该装置还包含有：

顶部光学器件，其位于各个工作固定器的上方；

底部光学器件，其位于各个工作固定器的下方；

该顶部光学器件和底部光学器件被操作来捕获衬底的图像，以用于定位的目的。

5.如权利要求1所述的激光处理装置，其中，该换向器包含有：

一对反射板和/或反射镜，每个反射板和/或反射镜被操作来将激光束反射朝向各自的工作固定器。

6.如权利要求1所述的激光处理装置，其中，该换向器包含有：

棱镜，其具有一对反射面，每个反射面被操作来将激光束反射朝向各自的工作固定器。

7.如权利要求1所述的激光处理装置，该装置还包含有：

马达，其和换向器相耦接，该马达被操作来将换向器相对于激光头移动至第一位置和第二位置。

8.如权利要求1所述的激光处理装置，该装置还包含有：

第一反射面，其用于将激光束直接反射在第一衬底上；

第二反射面，其用于将激光束直接反射在第二衬底上。

9.如权利要求1所述的激光处理装置，其中，该第一工作固定器和第二工作固定器被如此设置以便于每个工作台用于切割每个衬底的定位距离被限制在衬底宽度的大约一半的范围。

10.如权利要求1所述的激光处理装置，其中，第一工作固定器所移动的行程和第二工作固定器所移动的行程重叠。

11.一种用于切割安装于第一工作台和第二工作台上的衬底的方法，该方法包含有以下步骤：

在第一工作台上安装第一衬底，在第二工作台上安装第二衬底；

使用激光头产生激光束，并使用换向器将该激光束换向至第一衬底以切割该第一衬底；

在第一衬底被切割的同时，使用光学系统检查第二衬底以为切割做好准备；

在第一衬底的切割已经完成之后，将换向器和激光传送设备相对于彼此从第一位置移动至第二位置，以便于将激光束换向至第二衬底而切割第二衬底；其后

将第一衬底从第一作业台处移离。

12.如权利要求11所述的方法，该方法还包含有以下的步骤：

在第二衬底被切割的同时，将第三衬底安装在第一工作固定器上，并使用光学系统检查第三衬底以为切割做好准备。

13.如权利要求11所述的方法，其中，该使用光学系统检查第二衬底的步骤还包含有以下的步骤：

捕获第二衬底的图像，以进行定位和测量第二衬底的高度。

14.如权利要求11所述的方法，该方法还包含有以下的步骤：

在第一衬底的切割已经完成之后和将第一衬底从作业台处移离以前，进行第一衬底的后切割检查。

15.如权利要求11所述的方法，其中，切割第一衬底的步骤还包含有以下的步骤：

切割第一衬底宽度的第一半；

将第一衬底旋转180度；其后

切割第一衬底宽度的另一半。

16.如权利要求11所述的方法，其中，在检查第二衬底的同时切割第一衬底的步骤还包含有以下的步骤：

在开始检查第二衬底以前，在将第一工作固定器在背离第二工作固定器的方向上定位直到第二工作固定器的移动范围不受第一工作固定器限制的同时，切割第一衬底宽度的第一半。

17.如权利要求11所述的方法，其中，该换向器包含有：

一对反射板和/或反射镜，每个反射板和/或反射镜被操作来将激光束朝向各自的工作固定器反射。

18.如权利要求11所述的方法，该方法还包含有：

该换向器耦接有马达，该马达被操作来将换向器相对于激光头移动至第一位置和第二位置。

19.一种用于切割衬底的激光处理装置，该装置包含有：

激光头，其用于产生激光束；

第一工作固定器和第二工作固定器，其上安装有衬底；以及

换向器，其沿着激光束的路径设置，该换向器被操作来有选择地引导激光束朝向安装在第一工作固定器的第一衬底以切割第一衬底，或者朝向安装在第二工作固定器的第二衬底以切割第二衬底。

20.一种用于切割安装于第一工作台和第二工作台上的衬底的方法，该方法包含有以下步骤：

在第一工作台上安装第一衬底，在第二工作台上安装第二衬底；

使用激光头产生激光束，并使用换向器将该激光束换向至第一衬底以切割该第一衬底；

在第一衬底被切割的同时，使用光学系统检查第二衬底以为切割做好准备；

在第一衬底的切割已经完成之后，操作换向器以将激光束换向至第二衬底而切割第二衬底；其后

将第一衬底从第一作业台处移离。

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